NSR: 机械坚固的竹节形分级纤维结构设计

元催化

2022-09-28

经过亿万年的进化，大自然创造了许多性能卓越的生物材料。鱼鳞、珍珠母、骨骼、牙齿、水黾、爬山虎等生物材料都是典型例子。毛竹作为一种具有卓越机械性能和快速生长的可持续资源，逐渐成为替代木材和合成结构材料的主要对象。从生物自身角度看，在高大笔直的毛竹生长发育进程中，竹节至少发挥流体多向传输和定点机械支撑两方面作用。尽管已有理解竹节的相关报道，但竹节的空间纤维结构和“结构-功能”关系仍然研究不充分。

中国科学技术大学高怀岭副研究员和俞书宏院士团队瞄准先进纤维复合结构材料的重大需求和挑战，努力挖掘生物结构材料的内在设计原则，开展仿生结构材料研究。基于结构新发现，研究人员提出了三种纤维增强结构设计方案，包括空间纤维保型性紧密互锁、空间三轴互垂脚手架连接和各向同性吸能交织。同时，研究人员借助X-ray断层扫描术，发现竹节内纤维可实现多向液体输送，证实了竹节纤维结构增强和液体输运的一体化设计。该工作对于工程纤维复合结构设计以及生物质功能应用提供了重要思路。

本文要点：

（1）研究人员依托实验和理论相结合的手段，理清了竹节内复杂的纤维结构，提炼并验证了三种纤维增强结构方案。这些纤维增强结构是由纤维素分子、纳米晶体、纳米纤维、微纤维和维管束多级组装而成。

（2）多尺度增强增韧机制如多级纤维的抽出滑移、桥连、旋转再定向、晶化非晶化转变、氢键破坏与重组等将在维持竹节和竹体结构稳定性方面发挥跨尺度协同作用。该研究工作将为工程多级纤维增强结构设计、生物质高值化应用和可持续发展提供借鉴。

参考文献：

Si-Ming Chen, Si-Chao Zhang, Huai-Ling Gao et al. Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design

DOI：10.1093/nsr/nwac195

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac195